郑州强降雨后水患之思考

郑州强降雨后水患之思考

河南省遭遇极端强降雨,多地出现历史最大降雨量,郑州市更是遭遇百年不遇强降水。河南大雨持续数日。据河南省应急管理厅消息,7月17日至20日河南省郑州、平顶山、许昌、焦作、洛阳、新乡、安阳等地部分地区有250~400毫米,郑州中西部达400~654毫米。仅7月20日16-17时一小时降雨量即达到201.9毫米。

河南此次暴雨为何如此强烈,持续时间如此之久,中央气象局对此给出三个原因:第一,台风。台风“烟花”虽然距离我国还有小一千公里,却远程控制了河南暴雨。在“烟花”和副热带高压的气流引导下,大量的水汽通过偏东风源源不断从海上输送到陆地,在河南集结成雨。第二,地形原因。偏东气流在河南遇到太行山和伏牛山后,在山前出现辐合抬升,地形导致降雨范围集中,雨势更强。第三,大气环流形势稳定,导致降雨持续时间长。

降雨量是指从天空降落到地面上的雨水,未经蒸发、渗透、流失而在水面上积聚的水层深度,一般以毫米为单位,它可以直观地表示降雨的多少。

郑州7月20日16-17时一小时降雨量超过200毫米,意味着从天空降落到地面上的雨水,未经蒸发、渗透、流失而在理想的水平地面上积水的深度达200毫米。因前面郑州17日开始就已经下了大雨,降雨量大于100毫米。假定前面下的雨已经全部消化了,且地下土壤饱和度达80%以上,地表径流假定以平均0.3米/秒的速度汇聚到低洼地方,则地表径流1小时可运动约1公里。除了大部分流入沟渠、河流外,其余来不及消化的水在局部低洼地段很容易就会达1米 以上的深度。目前的城市各类建设及城市建筑物的密集布局,加上道路、广场等水泥硬化,原来可用于蓄水的湖泊、水塘、牛轭湖等水域,在城镇建设中被填埋,可用于疏通、排泄的沟渠无论是空间还是长度,均很难及时消化地表径流水对低洼地段的积水。

这几年出现一个新名词:海绵城市。海绵城市是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的"弹性",下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水释放并加以利用。

真的能做到海绵城市吗?吸水、蓄水、渗水、净水,这确实是海绵的功能,但地表的土层不是海绵。土层的吸水、渗水与土层的渗透系数有关,渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中,它定义为单位水力梯度下的单位流量,表示流体通过孔隙骨架的难易程度。请看各类土的渗透系数,黏土为<10-7(米/秒),几乎不渗水;粉土、砂与黏土混合物10-7~10-5(米/秒),具极低渗透性;极细砂10-5~10-3(米/秒),属低渗透性;中粗砂10-3~10-1(米/秒),为中渗透性。郑州地区为黄河冲积平原,假定土层以砂与黏土混合物或极细砂为主,其渗透系数以10-5(米/秒)计算,渗透24小时入土层深度还不到86厘米。其实不可能全是细砂层,如果含黏土加上地表硬化,则平均渗透深度一半都不到。

另砂土有孔隙度,土的孔隙容积占土体容积的百分比。土壤中各种形状地粗细土粒集合和排列成固相骨架。骨架内部有宽狭和形状不同的孔隙,构成复杂的孔隙系统,全部孔隙容积与土体容积的百分率,称为土壤孔隙度。水和空气共存并充满于土壤孔隙系统中。假定土层的孔隙度为40%,则地表持续浸水24小时,土层也只能容纳200~300毫米。

由此推算,如果短时(1天内)间暴雨超过200~300毫米的雨量,是难以排泄消化的。海绵城市这个概念也难以达到海绵功能的意义。

我们来看看江西赣州的地表径流水是怎么解决的。老赣州市区位于章江与贡江相汇的叉口。据说该市区有80多口水塘,水塘与水塘之间均有沟渠连接,在临江一面高筑有城墙,城门出入口下设有倒闸,河里水位高时可合闭,水位低时可开启。城内从未见涨水。

要解决水患问题,也要学这种方法。一是,无论是城市还是乡村,不允许在低洼地段建人居建筑物。也就是说,要让出这样的区域为水患应急之用。二是,根据汇水面积及低洼地段的分布,设置一定面积及深度的水塘。三是,水塘与水塘之间要有一定深度及宽度的沟渠连接。四是,沟渠太长的中间设置若干水闸,以为枯水季节关闸蓄水。五是,要设置强力排水的设施,尤其汇水量大的区域。甚至还要考虑在枯水季节将低位的水往高位补给。

2021.8.24

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